Program de studii: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ [304812]

UNIVERSITATEA HYPERION din BUCURESTI

FACULTATEA de ȘTIINȚE EXACTE ȘI INGINEREȘTI

Program de studii: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

PROIECT DE LICENȚĂ

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

Conf. Univ.Dr.Ing. EUGENIE POSDĂRĂSCU

ABSOLVENT: [anonimizat] 2019

UNIVERSITATEA HYPERION din BUCURESTI

FACULTATEA de ȘTIINȚE EXACTE ȘI INGINEREȘTI

Program de studii: AUTOMATICĂ ȘI INFORMATICĂ APLICATĂ

SISTEM DE ZBOR DE TIP QUADCOPTER CU MODUL GPS

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

Conf. Univ. Dr. Ing. EUGENIE POSDĂRĂSCU

ABSOLVENT: [anonimizat] – 2019

[anonimizat],construirea,[anonimizat],cu modul GPS(sistem de poziționare global) cu posibilitatea programării de zboruri predefinite dupa coordonate geografice sau locații dar și controlul manual prin comandă radio a acestuia.

[anonimizat].Se vor cauta materiale pentru cadru cât mai usoare și fiabile.Se va alege un cadru de fibră de carbon.[anonimizat],acumulatorul va avea patru sau șase celule.Motoarele care se vor folosi vor fi din categoria fară perii pentru fiabilitate și consum mai mic.Sistem audio/ video pentru controlul manual și pentru analiză parametrii și traseu de zbor se va realiza printr-o camera HD sau FHD.Pentru telemetrie/cotrolul manual prin telecomandă radio se va incerca integrarea modului radio R9M de 10 Km.

Sistemul va fi controlat și prin telecomandă cu ajutorul sistemul audio/video.

[anonimizat] s-a plecat,acestă caracteristică este necesară în cazul pierderii conexiunii radio sau a posibilelor perturbații din natură.

Configurarea Qaudcopterului se va face în configuratorul INav.Acestă este dedicat sistemelor de zbor de tip X-copter cu modul GPS instalat.[anonimizat].

[anonimizat] a energiei electrice.

[anonimizat].

Introducere

1.[anonimizat] a devenit o adevărată luptă pentru a cumpara/avea/primi/creea/[anonimizat].

Tehnologia provine din grecescul tekhnologia ([anonimizat]) [anonimizat],materialelor și a datelor pentru pentru realizarea unui anumit produs comercial sau industrial.[1]

Pentru a creea,[anonimizat],este nevoie de inginerie.

Ingineria provine dinlatinescul ingeniare, „a născoci”.Ingineria este forma de aplicare a [anonimizat],economice,practice asupra realității materiale sau/și sociale pentru a [anonimizat],intreține și modifica structuri și ansamble care trebuie sa fie capabile sa genereze/[anonimizat],produse sau/și efecte predefinite sau/și conforme unor asteptări prezise sau/și controlabile.

Judecata ,imaginația și disciplina intelectuală sunt aplicate de inginerie asupra cunoștințelor umane deja cunoscute pentru folosi sau creea tehnologie.

Dezvoltarea economică are la bază dezvoltarea tehnologie,tehnologia având un impact enorm asupra succesului,supraviețuirii sau insuccesului activităților,în mare parte economică,a companiilor,țărilor într-un mediu de concurență intensiv și global.[2]

O ramură importantă a industriei o reprezintă domeniul I.T.-tehnologia informației.Tehnologia informației,IT,reprezintă tehnologia necesară pentru procurarea,prelucrarea,procesarea,transmiterea și convertirea datelor prin folosirea de computere(calculatoare electronice).

Primul și cel mai vechi mecanism care funcționa ca o mașină de calcul a fost considerat mecanismul Antikythira,datând din anul 87 î.e.n. care aparent a fost folosit pentru calcularea mișcarilor planetelor.

În timpul Renasterii au fost “revigorate” matematica și stiințele exacte au aparut o succesiune de dispozitive mecanice de calculat care au fost bazate pe principiul ceasornicului de exemplu mașina care a fost creată de Blaise Pascal.

La mijlocul secolului XIX apare tehnica de citire și stocare a datelor pe cartele perforate.În același secol,Charles Babbage,proiecteaza prima mașină de calcul programabilă complet,din păcate proiectul lui nu se vinde foarte bine din cauza limitarilor economice de la vremea aceea.

În prima jumătate a secolui XX nevoile tehnologice ale comunitatii stiințifice erau sadisfăcute de calculatoare analoage,specializate și din ce în ce mai sofisticate din punct de vedere tehnologic.

Charles Shannon în anii 1930 a perfecționat electronica digitală ducând astfel la un progres tehnologic care a dus la abandonarea calculatoarelor analogice în favoarea celor digitale(numerice),care modelează în biți problemele în loc de semnale electrice sau mecanice.

Primul calculator cu o arhitectură aproximativ flexibilă a fost calculatorul ENIAC,figura 1.1,calculatorul secret britanic Colossus-construit pe bază de lămpi și programabil electronic.

Figura 1.1 – Calculatorul ENIAC

În anii 1960 tranzistori au înlocuit tuburile electronice,acestia fiind mult mai fiabili,mult mai mici,mult mai ieftini,ceea ce a dus la miniaturizarea calculatoarelor și ieftinirea lor.

În anii 1970 circuitele integrate au fost folosite și astfel prețul calculatoarele scăzând foarte mult,la fel și dimensiunile,totul ducând într-un final la apariția calculatoarelor de astăzi.

Calculatorul este omniprezent în viața actuală:robotică,case inteligente,drone,inteligență artificială,X-coptere,mașini inteligente sunt puține dintre tehnologiile care folosesc tehnologia de calcul.

Casa inteligentă este o realitatea a anilor actuali.Casa inteligentă este un concept de automatizare totală a spațiului în care locuim:pornirea aerului condiționat,pornirea centralei termice dacă temperatura scade sub 19 grade celsius,pornirea mașinii de spalat rufe,etc,toate facându-se de la distanță cu setarea de reguli automate pentru funcționare lor.Poate într-un viitor vom putea vorbi și despre intelegență artificială care va putea decide ce este mai bine pentru noi,dar momentan nu este cazul.

O casă inteligentă oferă securitate sporită,ajută la simplificarea sarcinilor ocupanților,eficiență energetică,etc.Frigiderul o să stie atunci când este gol să comande alimente de pe internet,caloriferul o să stie să se oprească dacă nu mai este nimeni în cameră.Filtrul de cafea o sa prepare un espresso fierbinte cu câteva minute înainte să se trezească ocupantul casei și totul dintr-o telcomandă,figura 1.2.

Figura 1.2 – Posibilă telecomandă pentru casa inteligentă

Un domeniu care acum câțiva ani a prins un contur este cel al mașinilor inteligente.Într-adevar în acest domeniu s-auîncercat din anii 1920 primele experimente,compania Houdina Radio Control a demonstrat controlul radio în orașul american New York parcurgând drumul dintre Brodway și Fifth Avenue prin tot traficul de la orele de vârf.Mașina autonomă a fost echipată cu o antenă care transmitea impulsuri radio,impulsuri ce au fost captate de antene de emisie care au acționat prin semnale electrice întrerupătoarele montate îninteriorul mașinii pentru acționarea sub-ansamblele care reglau miscările acesteia.

În anii 1980 Mercedes-Benz,concernul german de automobile proiectează modelul de automobile EURIKA,care reușeste să atingă 63 km per oră,pe străzii fară trafic.

În același deceniu proiectul DARPA al facultăților Univerșitatea din Maryland, Universitatea Carnegie Mellon,Institutul de Cercetări pentru Mediu din Michigan este finanțat de guvernul american,reușește să demonstreze pentru prima dată controlul autonom al roboților asupra unui autovehicol.

În anii 2010 cei mai mari producători auto,Nissan,Ford,Audi,Mercedes-Benz,testează autovehicole autonome.

În domeniul auto cu inteligență artificială sunt implicate companii mari IT cum ar fi Google,Tesla sau Apple.

Google chiar a lucrat la un algoritm al cărui scop final a fost eliminarea nevoile de harți preprogramate,un dispozitiv care reușește să se adapteze la o varietate de situații noi.

Daimler,o companie germană de automobile,înparalel cu efortuile Google testează Freightliner Inspiration,o mașină semi-autonomă care a fostfolosită numai pe șosele interurbane.

Această gândire a întâmpinat mai multe probleme.Cea mai importantă problemă a inginerilor programatori a fost aceea de gestionare a situațiilor de risc.Aceste situații includ ciocnirile frontale.Scopul principal al mașinii era acela de a decide dacă va salva pietonii sau pasagerii,problema a fost aceea ca mașină să nu fie nevoită să decidă dacă va pune pe cineva în pericol.[3]

Hibridizarea, electrificarea, conectivitatea și condusul autonom sunt principalele direcții urmărite de toți marii producători de automobile din lume.Toate implică dezvoltarea inteligenței artificiale a vehiculelor obligând constructorii fie să-și dezvolte propriile divizii IT, fie să apeleze la colaborări cu firme din acest domeniu.Hulită de mulți,inteligența artificială (AI) există deja în majoritatea mașinilor aflate pe șosele.Computerele care gestionează modul de funcționare al motoarelor,senzorii din anvelope sau sistemele ABS și ESP sunt cele mai ușor de înțeles utilizări ale inteligenței artificiale în vehicule.

Producătorul nipon Hyundai după sapte ani de dezvoltări și încercări face în anul 2018 primul test cu primul model,Nexo,fară sofer cu autonomie proprie,condusă de inteligență artificială.

Modelul de testare a reușit să parcurgă un traseu prestabilit de 160 de km,fară incidente.Autovehiculul este conectat la asistentul de drum,sistemul GPS,cu o conexiune la satelit pentru configurarea 3D al traseul.

1.1.Inteligența artificială

Dupa Charles Darwin,autorul capodoperei “Originea speciilor”,inteligența naturală este cumulul de gene,cu mediul în care trăiesti,cu pregătirea pe care o primeste fiecare individ și este specifică numai rasei umane.Știința reușind sa-l contrazică.Inteligența artificială spre deosebire de cea naturală este expusă de mașini.

Primii pași în acest domeniu au fost facuți în anul 1956 când inteligența artificială a fost introdusă ca disciplină academică.În cea mai parte a istoriei cercetării în domeniul inteligenței artificiale a fost împărțită în mai multe subdomenii care nu au reușit să comunice între ele.Aceste subdomenii sunt bazate pe considerente tehnice,cum ar fi robotica sau învățarea automată,obiecte specifice,instrumente cum ar fi logica sau rețele neurale sau diferențele filozofice profunde.

Termenul „inteligență artificială” este utilizat colocvial pentru a descrie mașinile care imită funcțiile „cognitive” pe care le asociază oamenii cu alte minți umane, cum ar fi „învățarea” și „rezolvarea problemelor”[4]

Kaplan și Haenlein,profesori la Școala de Afaceri ESCP Europe din Berlin au clasificat inteligența artificială în trei categorii de sisteme:

Inteligența artificială analitică,acest sistem are caracteristici compatibile cu inteligența cognitivă;

Inspirată de om,acest sistem are caracteristici compatibile cu inteligența cognitivă și emoțională care întelege emoțiile umane,în plus față de cele cognitive;

Umanizată,aceasta reprezintă toate caracteristicile tuturor tipurilor de cunoștințe(inteligență,cognitivă,socială și emoțională).

Odată cu evoluția în acest domeniu au apărut mai multe probleme.Una dintre ele a fost aceea de a reuși să învețe inteligența artificială,raționamentul⁠,reprezentarea cunoștințelor planificarea⁠,învățarea,prelucrarea limbajului natural,percepția⁠,etc.

La începutul anului 1980 cercetarea AI a fost revitalizată odată cu reușita comercială a sistemelor expert,acestea suntaplicații complexe,programe software,care explorează o multitudine de cunoștințe pentru a obține concluzii noi despre activități dificil de examinat, folosind metode asemănătoare cu experții umani.

La sfârșitul anilor 1990,IA a început să fie folosită pentru logistică,data mining,diagnostică medicală și în alte domenii.Succesul s-a datorat creșterii puterii de calcul,care funcționează cu  Legea lui Moore,accentul mai mare este pus pe rezolvarea problemelor specifice,legături noi între IA și alte domenii (cum ar fi statistica, economia și matematica) și angajamentul cercetătorilor față de metodele matematice și standardele științifice.

Anul 2015 a fost un an de referință pentru inteligența artificială,numărul de proiecte software care utilizează IA la Google crescând de la „utilizare sporadică” în 2012 la peste 2.700 de proiecte.

Alte exemple menționate includ dezvoltarea de către Microsoft a unui sistem Skype care poate traduce automat dintr-o limbă în alta și sistemul Facebook care poate descrie imaginile pentru nevăzători.Într-un sondaj din 2017,una din cinci companii a raportat că „a încorporat IA în anumite oferte sau procese”.În preajma lui 2016, China a accelerat foarte mult finanțarea guvernamentală,având în vedere cantitatea mare de date disponibile acolo și producția sa de cercetare în creștere rapidă,unii observatori conșideră că ar putea fi pe cale să devină o „superputere IA”.[5]

1.2.Sisteme de zbor comandate de la distanță

Un alt domeniu în care este folosită tehnologia informației împreună cu inteligența artificială este cel militar,în special în sectorul dedicat dronelor.

Dronele sunt aeronave fără pilot ghidate fie prin pilot automat cu sau fără inteligență artificială fie prin telecomandă situată într-un centru la sol sau într-un avion pilotat de un factor uman.

Dronele sunt folosite foarte rar în domeniul civil.În domeniul militar sunt folosite pentru supraveghere,de multe ori în spații ostile,recunoaștere,combativ,spionaj etc.,în funcție de sarcină lor sunt dotate cu arme de foc sau nu,figura 1.2.1.

Dronele sunt dotate cu foarte multi senzori,camera video,radar,intensificatoare de imagine,imagini infraroșii pentru noapte etc.Dronele sunt conectate permanent la satelitul care acoperă zona în care se acționează[6].

Figura 1.2.1. – Dronă militară în acțiune

Marina americană,într-un program top secret,a creeat în colaborare cu grupul Northrop Grumman,un conglomerat aerospațial cu activități diverse în cadrul departamentului de apărare SUA,fiind al treilea furnizor militar al Pentaganoului,o dronă,numită X-47B,care a reușit primul zbor autonom din istoria armatei americane.Această dronă a fost pilotată în întregime de inteligență artificială.Acest avion este primul robotizat în totalitate.

Un alt domeniu al sistemelor în care este folosită inteligența artificială este cel spațial.Acest domeniu a luat avânt târziu,la sfârșitul secolul XX,odată cu dezvoltarea tehnicilor rachetelor care au permis zboruri spațiale.

Profesorul rus Constantin Țiolkovski (1857-1935) a reușit să găsească ecuația ascensiunii rachetelor,inginerul american R.H. Goddard a construit deja din 1910 mici motoare de rachetă, iar în 1936 a reușit să lanseze o rachetă cu combustibil lichid.

Alt sistem care reușește să îmbine domeniul inteligenței artificiale cu zborul este avionul de alarmare și cercetare indepartată,AEW&C,care este o platformă aeropurtată puternică destinată să detecteze avioane,tancuri,vehicule aflate la mare distanță și poate să controleze spațiul aerian.Această aeronavă este dotată cu o formă de control foarte puternică,cu o rată de calcul al posibilitătilor de 10000 kb per sec.Aceste sistem este conectat la sateliți care oferă toate informațiile necesare ca sistemul de comandă să ia cele mai bune decizii.

Sistemele de zbor comandate de la distanță,numite X-coptere,sunt total diferite de drone.X-copterele sunt vehicule aeriene cu 2,4,6,8 elice care pot zbura,figurile 1.2.2,1.2.3.Aceste sisteme sunt vehicule fară pilot,sunt comandate de la distanță prin telecomandă radio,sunt sisteme cu un potențial de exploatare vast în îndeplinirea diferitelor sarcini,pe cât de importante pe atât de periculoase.X-copterele sunt folosite și în armată concomitent cu dronele militare,dar domeniile în care sunt adeseafolosite sunt agricultura,cercetare,supraveghere,intervenție în zone greu accesibile,transport,etc.

Figura 1.2.2 – X-copter cu 6 elice

Figura 1.2.3 – X-copter cu 4 elice

Dezvoltarea electronicii și apariția echipamentelor cu care se pot controla aceste vehicule au dus la producerea lor în masă.În continuare se fac cercetări pentru dezvoltarea acestor sisteme de zbor,acumulatori mai ușori,cadre din carbon cât mai subțiri,motoare mai mici și mai puternice.

Avantajul X-copterelor este acela ca au capabilitatea decolării verticale de la orice punct fix sau mobil.

2.Structura X-copterelor de tip Quadcopter

2.1 Noțiuni introductive

Modelul cel mai popular din categoria X-copterelor este quadcopterul.

Quadcopterul denumit și elicopterul quadrotor este un elicopter multirotor care este echipat și propulsat de 4 motoare,în genere fară perii.Quadcopterele sunt clasificate în nave cu rotor,fațăde drone care sunt clasificate în nave cu aripi,deoarece ridicarea lor se face cu un set de rotoare – cu elice orientată vertical,figura 2.1.1.

Figura 2.1.1 – Dinamica zborului la quadcoptere

Quadcopterul utilizează două perechi de elice,două în sensul orar(CW) și două în sens opus(CCW),acestea utilizează variația independentă a vitezei celor 4 motoare pentru a obține controlul.Pentru împingerea dorită este necesară această variație să utilizeze puterea fiecarui motor independent,prin aceast lucru se localizează centrul de împingere longitudinal cât și lateral pentru a creea cuplul dorit cât și o forță de întoarcere.

Fiecare rotor produce atât un cuplu cât și o forță în jurul centrului de rotație dar și o forță de tracțiune opusă direcției de zbor al vehicolului.

Un quadcopter,ca orice alt multicopter,poate folosi o configurație coaxială a rotorului pentru o putere mai mare și stabilitate la o greutate redusă.

La început pilotarea acestor nave neceșită un volum mare de lucru deoarece fiecare motor trebuie controlot individual simultan.Odată cu apariția microcontrolelor și a microprocesoarelor s-a reușit un salt important în rezolvarea acestor probleme,făcând pilotarea acestora foarte usoară,prin telecomenzii pe unde radio,etc.

Un microcontroller este un dispozitiv electronic destinat controlului unui proces,fară ca interacțiunea umană să fie necesară.Odată cu apariția acestora s-au redus costurile de producție pentru quadcoptere.

Un microprocesor este la bază un procesor caruia i s-au miniaturizat toate componentele pentru integrarea lor într-un singur circuit integrat,în care s-au întegrat toate funcțiile unei unități centrale de procesare(CPU).

La primi pași facuți în acest domeniu proiectanții acestor dispozitive au ignorant legile aerodinamice clasice,facând astfel dificil realizarea acestor dispozitive.

În acest domeniu s-au facut încercări timpurii,încă din1907 Louis Breguet a proiectat un elicopter cu patru rotoare,aceasta reușind să se ridice de la sol cu pale rotative.

În anii 1920 Etienne Oehmichen a creea mai multe modele rotorcraft.Unul dintre modelele experimentate a fost un proiect cu patru rotoare cu opt elice toate conduse de un motor.Lamele aveau un unghi care putea fii deformat prin modificare.O elice a fost montată pe botul avionului,iar celelalte cinci se roteau în plan orizontal stabilizând elicopterul.Elicopterul avea un grad destul de mare de stabilitate și o crestere a preciziei controlului în timpul celor peste o mie de zboruri executate în timpul anilor 1920.

Au urmat alți pioneri în acest domeniu ca Dr. George de Bothezat și Ivan Jerome care au dezvoltat un elicopter numit Bothezat,cu rotoare cu forma de lozime la capetele unui structuri în formă de X.Acest model avea și două elice mai mici care controlau tracțiunea și înclinarea.

Convertizorii modelului A Quadrotor,care a fost un elicopter care a fost prototipul mai multor elicoptere de dimensiuni mai mari civile cât și militare.Acest model a fost echipat cu doua motoare care conduceau patru roatoare printr-un sistem în formă de V.Acesta navă a avut un succes nebănuit la momentul exploatări,fiind primul elicopter cu patru rotoare care a executat un zbor de succes înainte.

Armata SUA printr-o colaborare cu compania Curtiss-Writh au dezvoltat o navă,VTOL,la care s-a reușit controlarea ei prin schimbarea tracțiuni fiecărei dintre cele patru elice cu care era echipat.

În ultimile decenii s-au utilizat într-o vastă arie de domenii astfel reușindu-se o dezvoltare a centrelor de cercetare destul de rapid.Nevoile deplasărilor și manevrabilități au dus la o crestere a cercetărilor în domeniul quadcopterelor.Cercetările facând să crească abilităților acestor nave,comunicarea fiind bună s-a reușit implementarea unor capabilități pentru a duce la îndeplinire misiuni autonome avansate.

Quadcopterele sunt elemente utile cercetătorilor pentru evaluarea și testarea controlului zborului,navigația,robotica și sistemele în timp real și remedierea defecțiunilor apărute în timpul acestor teste,totul ducând la o îmbunătățire a capabilităților tehnice.[7]

În perioada actuală quadcopterele au ajuns la performanțe remarcabile.Odată cu pașii făcuți în tehnologie s-a ajuns la controlul prin unde radio la distanțe foarte mari.Pe langă folosirea a microcontrolerelor,figura 2.1.2.,a microprocesorului s-au folosit mulți senzori care au dus la o manevrabilitate remarcabilă.Accelorometru,giroscopul,senzori de coliziune,senzori infrarosu sunt doar o parte din senzorii care sunt integrați microcontrollerul care este montat pe quatcopterele actuale.

Figura 2.1.2 – Microcontroler pentru quadcopter

În prezent,în Maryland SUA, s-a realizat un zbor un quadcopter cu care s-a transportat un rinichi pentru un transplant de la un spital la altul,pe o distanța de 4,5 kilometri,zborul durând 10 minute.Quadcopterul fiind echipat cu sisteme de monitorizare permanentă și de păstrare a organului.

Această misiune fiind prima de acest gen și a fost realizată cu succes.

2.2 Domenii de utilizare

Dacă în urmă cu ceva ani X-copterele erau folosite,în același timp cu dronele,cu precădere numai în domeniul militare,acum X-copterele reusesc să iși facă loc din ce în ce mai usor în activitățile cotidiene.Implementarea soluțiilor tehnice pe aceste dispozitive aeriene au facut ca ele să fie raspândite în domenii variate.

Agricultură

Inspectarea culturilor

Organizarea parcelelor de pamânt arabil

Nevoile de apă

Numărarea plantelor pentru statistici

Securitate industrială

Supravegherea spațiilor dinzonelor industriale și domestice

Prevenirea accidentelor de muncă

Prevenirea furturilor

Medicină

Transport de organe pentru transplanturi

Monitorizare trafic pentru deplasarea ambulanțelor

Siguranță națională

Pază graniță

Spionaj

Supraveghere de la distanță subiecți periculoși

Transport valori secrete

Monitorizare porturi

Infrastructură

Inspecție poduri,căi ferate

Inspecția liniilor de înaltă tensiune

Monitorizare baraje

Urgențe

Intervenție în teritorii greu accesibile

Analiză în timp real al dezastrelor

Sport

Concursuri

Monitorizare și analiza jocurilor

2.3 Mecatronică și robotică

Aceste două discipline,mecatronică și robotică,se îmbină perfect cu domeniul X-copterelor.

Termenul “mecatronică” este prescurtarea cuvintelor Mecanică-Electronică-Informatică și a fost folosit prima dată în anul 1975 de către concernul nipon Yaschawa Electronic.

Mecatronica la începutul ei academic a fost înțeleasă ca o completare a mecanicii de precizie.

În timpul cercetării și dezvoltării academice mecatronica și-a schimbat sensul și aria de definiție devenind ramura stiințifică care este bazată pe disciplinile deja existente clasice în industria auto,tehnologia informației,electrotehnici și electronici.

Mecatronica totuși se deosebește de automatică,fiind termeni diferiți cu arie de cercetare și dezvoltare diferită.

În zilele noastre mecatronica este cunoscută ca știința mașinilor inteligente devenind o filozofie care s-a raspândit în întreaga lume.

Această disciplină se ocupă în general de problemele mecanicii,electronicii și informaticii,totuși ea înclude mai multe domenii și acoperă multe discipline cunoscute,cum ar fi:tehnica de cifrare,electrotehnică,tehnica microprocesării de informații și altele,figura 2.3.1.

Figura 2.3.1 – Reprezentarea vizuală a mecatronicii

Robotica dupa cum îi spune numele se ocupă cu proiectarea,cercetarea și fabricarea roboților.Personalul științific care activează în acest domeniu trebuie să dețină cunoștințe de electronică,mecanică și programare.

Karel Capek,în lucrarea lui "Roboții universali ai lui Rossum",în 1921,introduce pentru prima data conceptul de robot,pornind de la cuvântul "Robota",muncă,activitate de rutină,preluat de către Isaac Asimov, în povestirea științifico-fantastică "Fuga în cerc" (1941).Robotii sunt sisteme mecatronice care îndeplinesc diferite funcții și sarcini în regim propriu.

Roboții sunt un amalgam de mecanică,electrotehnică și informatică,din acest lucru a apărut conceptul de mecatronică.

În realizarea sistemelor robotice autonome,care găsesc soluții singuri,trebuie intersectate mai multe discipline în acest domeniu,punânde-se accent pe domeniul inteligenței artificiale sau neuroinformatică dar și de mai puțin cunoscutul domeniu biocibernetică.

Roboții pentru a putea avea mobilitate au nevoie de senzori,care sunt integrați în sistemul de comandă.Sunt și roboți care nu acționează autonom,dar ei se disting de cei autonomi sau teleghidați.

Sunt mai multe tipuri de roboți:

Robot autonom mobil

Robot umanoid

Robot industrial

Robot de servicii

Robot jucarie

Robot explorator

Robot pășitor

BEAM

Robot militar/dronă,figura 2.3.2.

Figura 2.3.2 – Robot SkyRobot

2.3.1 Structura mecanică

Mecanica este o ramură a fizicii care studiază modul în care corpurile își schimbă poziția.

În cazul quadcopterelor de agrement structura mecanică are rolul de a efectua deplasarea acestuia și orientarea sistemului video dacă acesta este montat pe un dispozitiv mobil articulat.Deplasarea quadcopterul se face cu ajutorul motoarelor fără perii,iar miscarea sistemul video se face cu ajutorul motoarelor pas cu pas.

Principalele componente mecanice pentru construcția quadcopterului sunt:

cadrul – pentru o portanță bună și rigidității structurale este folosit cel de carbon

elicele – fie cele pas cu pas sau cele cu pas variabil

motoarele electrice – se folesesc cele fără perii pentru capabilitătile lor tehnice mai bune

2.3.2 Structura electrică

Structura electrică a unui quadcopter este compusă din totalitatea asamblurilor electrice încorporate în nava.Componentele structurii electrice sunt:

structura pentru alimentare cu energie electrică care este alcătuită din baterie/acumlator și/sau module cu caracteristică de captare a energiei solare

sistemul de control care este compus din microcontroler sau microprocesor și structura electronică în care sunt integrate porturile de intrare-ieșire și structura de memorie

sistemul senzorial care este compus din totalitatea senzorilor și al traductoarelor din acel sistem.Acestia captează semnalele din mediu iar după ce sunt procesate sunt transformate în semnale electrice,asigurând astfel o forma de percepție a mediului înconjurător

ansamblul de comunicații care asigură monitorizarea quadcopterului,implicit și controlul lui

2.3.3 Structura software

Structura software asigură procesarea logică a zborului,implicit asigură funcționalitea logică a tuturor componentelor quadcopterului,interacțiunile și acțiunile generate de sistem.

Implementarea acestei structurise poate implementa în mai multe limbaje de programare,C/C++ fiind cel mai des întalnit.

2.4 Motorul electric

Motorul electric este un dispozitiv electromecanic care transformă energia electrică în energie mecanică.Majoritatea motoarelor electrice funcționează pe baza principiilor forței electromagnetice care acționează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic.

Motoarele electrice pot fii clasificate după tipul curentului electric folositîn două categorii:

motoare de curent continuu,ce funționează pe baza unui curent care nu își schimbă sensul

motoare de curent alternativ

O altă categorie de clasificare este dupa modul de construcție al motorului din dotare și anume,cu perii sau fără perii.

Motorul fără perii se mai numește în industria de biciclete electrice și Motor de curent continuu Brushless Trifazat. Acest motor are bobinele din cupru plasate pe stator, iar rotorul său conține o serie de magneți permanenți.Motorul este alimentat cu trei forme de undă diferite care generează în stator un câmp magnetic.[8]

Motorul cu perii are în rotor o bobină care este alimentată la o sursă de tensiunecontinuaprinintermediul periilor de carbon.Statorul motorului conține un magnet permanent,figura 2.4.1.

Figura 2.4.1 – Comparație motor cu perii – motor fară perii

Odată cu evoluția tehnologiei în materie de motoare electrice motoarele cu perii sunt cel mai des folosite în domeniul X-copterelor.

În urmatoarele rânduri se vor compara cele două tipuri de motoare,cu avantaje și dezavantaje:

motorul cu perii

Prin perii se disipă energia prin frecare și prin încălzire destul de mult

din cauza scânteilor produse de perii se produce un factor de distorsiune a întreg sistemului de alimentare prin reinjectarea de defecte parazite în sens inverse,din aceeastă cauză controller-ele motorului au grad mai mare de defectare

întreținerea este mai costisitoare pentru că necesită schimbarea periilor,pe de altă parte poate fi mai convenabil pentru că se poate prelungi viața lui prin această întreținere

este mai usor de controlat, folosindu-se doar două fire, reglajul turației făcându-se în tensiune

viteza este limitată de forța de frecare,cu cât viteză este mai mare cu atât forța de frecare a periilor este mai mare

motorul fară perii

lipsa de mentenanței este un avantaj

nu există forță de frecare ceea ce duce la obținerea de cuplu și viteză mai mare cât și o mai bună răcire

un dezavantaj i-l constituie faptul că,controlul lui se face într-un mod complex, având nevoie de un controler special

transmiterea semnalelor în bobine se face cu ajutorul senzorilor Hall,care au probleme când se opresc,problemă rezolvată cu ajutorul cotrollerelor universale

dimensiuni reduse și compacte, dar fără să afecteze cuplul

Motorul fără perii se mai numește și motor de curent continuu Brushless Trifazat. Acest motor are bobineledin cupru plasate pe stator, iar rotorul său conține o serie de magneți permanenți.Motorul este alimentat cu trei forme de undă diferite care generează în stator un câmp magnetic.

Motororul fără perii de curent continuu sunt clasificat în trei categorii:mono-fază,dublă-fază și triplu-fază.Cele mai des întâlnite sunt motoarele electrice mono-fază și tri-fază.În figura 2.4.1 se prezintă în secțiune simplificată motoarele mono-fază și tri-fază.Rotorul motorului electric este format cu ajutorul magnețilorpermanenți care realizează două perechii de poli magnetic,care înconjură statorul care contine spirele.Exemplul din figurea 2.4.1 se presupune că statorul prezintă același număr de spire.[8]

Rotorul este alcătuit din ax și un butuc,în care se află un sistem de magneți,ce formează două perechi ce formează între două și opt perechi de poli magnetici care sunt dispuși alternativ.Montarea lor pe rotor se poate face în trei feluri,la suprafață,încorporată sau inserție.

Figura 2.4.1 – Motor mono-fază și tri-fază

Motoarele fără perii sunt motoare care folosesc circuite suplimentare care realizează comutația,realizându-se rotația continua a motorului,circuitul este conectat într-o punte H pentru motoarele mono-fază și ca o punte pentru motoarele tri-fază.Controlul circutitelor superioare sunt controlate prin folosirea modulației lățimi de puls(PWM/Pulse-Width Modulation) care transformătensiunea continuuîntr-o tensiune modulară.

Detectarea poziției rotorului la motorul fără perii necesită trei senzori Hall.În funcție de poziționarea lor fizică,există doua tipuri de ieșiri:una este un defazaj de 60 de grade și alta de 120 de grade.Prin fuziunea semnalelor de la acestia,se poate determina secvența de comutație.Secvența de comutație a unui driver al unui motor fără perii cu treifaze într-o rotație în sens trigronometric este prezentată în figura 2.4.2.[8]

Figura 2.4.2 – Matricea functionării senzorilor Hall.[8]

2.5 Senzori și traductoare

La începutul anilor 1970 în dicționarele de specialitate apare pentru prima data noțiunea de ”sensor”.Dezvoltarea acestui dispozitiv s-a facut în paralel cu dezvoltarea microelectronicii,odata cu apariția altor noțiuni cu impact mare asupra tehnologii,cum ar fi “microprocesor”,”microcontroller”,etc.Astfel,cea mai mare parte din elementele tehnice senzitive au fost încadrate în categoria de traductor.Un traductor este un sistem de conversie ale elementelor fizice în semnale electrice care pot fi preluate calculator sau de instrumente de măsurat specifice.O categorie destul de largă constituie sistemele care se terminăîn“-metru” pentru măsurate accelerației se numește “accelerometru”,pentru măsurarea vitezei unghiulare numite “tahometru”.

Denumirea “sensor” provine din cuvîntul latin “sensus”,se înseamnă simț,pană să fie adoptat pentru folosirea lui însistemele tehnice,el a fost folosit pentru desemnarea capacitățile organelor de simț ale oamenilor și ale organismelor vii,de a culege și de a prelucra informațiile din mediu și de a e le transmite creierului.

În domeniul sistemelor de zbor comandate de la distanță au fost implementați multi senzori pentru citirea condițiilor de mediu,pentru controlul aparatelor,pentru date statistice,pentru date meteorologice,etc.

Unitatea pentru procesarea mișcării

MPD-6050 este primul dispozitiv integrat care reușeste să utilizeze un accelerometru pe 3-axe,un giroscop pe 3-axe și un procesor de mișcare digital.Magistrala intregrată I2C care este dedicată,poate sa primească o intrare de la un magnetometru extern.MPU are un desing care permite interfațarea cu senzori digitali non-inerțiali multipli,prin conectarea la portul auxiliar i2c.MPD-6050 are integrate trei convertoare analog-digital pe șaisprezeze biți pentru digitizarea intrărilor provenite de la giroscop și trei convertoare analog-digitale pentru digitizarea intrărilor provenite de la accelerometru.Senzorul giroscop are integrat o scală configurabilă pentru urmarirea mișcărilor precise cât și pentru urmarirea mișcărilor foarte încete,această scală prezintă valorile +-250,+-500,+-1000,+-2000 rad/s și senzorul accelerometru are la fel o scală configurabilă cu valori +-2g,+-4g,+-8g,+-16g.

În acest sistem este integrat și bufferul FIFO,baffer de 1024 Byte,care scade consumul electric al sistemului,prinredarea procesului gazdă citiri în timp real a datelor citite de către senzori,care permite intrarea procesorului în stare de low-power,în timp ce MPU își continuă procesul de colectarea de date.Această integrare de componentă,a senzorilor și în același timp a DMP(Digital Motion Processor),asigură degrevarea procesorului gazdă de activități suplimentare facând posibilă atribuirea de resurse minime pentru procesarea informațiilor,figura 2.5.1[9]

Figura 2.5.1 – Diagrama sistemuluiMPU 6050

DMP/Digital Motion Processor

DMP sau processor digital de mișcare care este încorporat în unitatea de procesare a mișcării degrevează procesorul gazdă de calculul algoritmilor de mișcare necesari procesării.DMP înmagazinează datele provenite de la giroscop,accelorometru și de la senzori adiționali precum magnetometrul,procesându-le pentru realizarea datelor finale pentru execuția mișcării.Datele astfel obținute sunt citite din regiștrii DMP sau din bufferul FIFO.

Interfața serială I2C primară

I2C – Protocolul Inter Integrateg Circuit,este un protocol creat pentru permiterea mai multor circuite Integrate “slave” să poată comunica cu unul sau mai multe cipuri “master”,implicit cu procesorul sistemului.Se comunică prin protocolul UART,iar bitul cel mai nesemnificativ este configurat prin intermediul pinului 9 (AD0).

Interfața serială I2C auxiliară

Această interfață auxiliară este o magistrală a MPU-6050 pentru a putea comunică cu un magnetometru de 3-axe cu o ieșire digitală și/sau alți senzori.Ea are doua moduri de funționare:

I2C este master:MPU-6050 este master pentru oricare sensor extern conectat la magistrala I2C auxiliară

Pass-Through: Acest mod este util pentru a se configura senzorii externi sau pentru a se menține starea de low-power a unității de procesare a mișcării atunci când sunt necesari utilizarea doar a senzoriile externi.MPU-6050 conectează direct la magistrala master I2C la cea auxiliară ce permite procesorului gazdă și să comunice direct cu orice sensor extern.

Giroscop 3-axe

Giroscopul cu 3-axe care este integrat în MPU-6050 este format din trei senzori giroscopici independeți,care seșizează mișcările de rotație pe cele 3 axe X,Y și Z.Atunci când X-copterul are miscări în jurul oricărui axe,prin efectul Coriolis se produce o vibrație care este detectată cu ajutorul unui doze capacitive.Semnalul astfel obținut este amplificat,demodulat și filtrat care produce o tensiune direct proporțională cu viteza angulară.Tensiunea obținută este apoi digitizată prin convertoarele distinct analog-digitale de 16 biți care sunt integrate în cip,pentru procesarea semnalului pentru fiecare axă.

Accelerometru 3-axe

MPU-6050 are integrat un accelerometru care utilizează mase de referintă individuale pe fiecare axă.Pe fiecare axă accelerația produce o deplasare masei de referință,care este sesizată de senzori capacitivi.Arhitectura MPU-6050 poate reduce capabalitatea de reducere variaților de fabrică și a temperaturii.Accelerometrul este poziționat orizontal acesta produce valori 0g pe axele X cât și pentru Y iar 1g pe axa Z.Detalii tehnice se gasesc în anexa tehnică 6.

Magnetometrul HMC5883

Honeywell HMC5883,figura 2.5.2,este un modul de montare pe suprafață, multi-cip conceput pentrusenzori magnetici cu câmp magnetic, cu o interfață digitală pentru aplicații cum ar fi compasarea lowcost și magnetometria. HMC5883L include senzorii magnetorezistenți de înaltă rezoluție HMC118X, plus un ASIC conținând amplificare,drivere automate,anularea offset și un ADC pe 12 biți care permite o acuratețe a rubricii de la 1 ° la 2 °. Eu 2Cbus-ul serial permite o interfață ușoară. HMC5883L este o suprafață de 3.0×3.0x0.9mm montați purtătoare de cip fără fir cu 16 pini (LCC). Aplicații pentru HMC5883L includ telefoanele mobile, netbook-urile, electronica de consum, navigația automată,sisteme și dispozitive de navigație personale.Specificațile tehnice se găsesc în anexă tehnică 1.

Figura 2.5.2 – MagnetometrulHMC5883

Magnetometrul HMC5883 este format din uniunea a trei senzori,senzori pentru fiecare axa a sistemului de referință,care are integrate circuite specifice.Ieșirile sunt direct proporționale cu câmpul magnetic dar doar pe axa de referință.

Controlul acestui dispozitiv se realizează prin magistrala I2C,care va fi conectată la magistrala de referință ca un dispozitiv slave,dispozitivul master fiind procesorul care deține controlul absolut,figura 2.5.3. HMC5883 are o adresă pe sapte biți și suportă modul standard 100khz cât și pe cel rapid 400khz.

Interacțiunile cu sistemul de control ale HMC5883 au prioritate față de activitățile interne,cum ar fi de exemplul masurătorile.Prioritizarea este implementată pentru a nu îngreuna forța de procesare a sistemului ținând dispozitul master în așteptare,în același timp pentru a nu ține magistrala I2C ocupată mai mult decât este necesar.

Figura 2.5.3 – Diagrama conexiune HMC5883[10]

Funcția set/reset

Funcția set/reset este un circuit integrat care este specific aplicației MPD-6050,ea folosește tranzistori cu efect de câmp pentru generarea de pulsuri set/reset senzorului,nefiind necesară existența unui circuit extern.Controlul ei se face automat de ASIC de fiecare dat când se execută o masurătoare,iar facându-se media între măsurători SET și măsurători RESET produsul se utilizează pentru eliminarea variaților interne ale senzorului sau a variaților de temperatură.

Moduri de operare

modul pentru măsurare unică – este modul care este implicit la pronirea sistemul.În acest mod masurarea este unică,sistemul face o singură măsurătoare cu care actualizează regiștrii.Dupa ce se efectuează aceast ciclu,sistemul intră în starea Idle.Prin această stare sistemul își pastrează accesibilitatea prinintermediul magistralei I2C,ceilalti consumatori sunt dezactivați,cum ar fi amplificatorul,etc

modul de măsurare continuu – în acest mod măsurătorile se fac continuu,la un interval stabilit de utilizator.Aceste date sunt citite din regiștrii output ai datelor.Dispozitivul daca este configurat în modul master registrii sunt actualizați cu noile valori

Senzor de presiune MS5611

MS5611-01BA este produs de compania elvețiană MEAS.Este un senzor care a fost optimizat pentru altimetre și are pre-configurat posibilitatea de conectare prin interfațe I2C și SPI,figura 2.5.4.[11]

Figura 2.5.4 – Senzor de presiune MS5611

MS5611-01BA este un senzor piezo-rezistiv cu interfață integrată.Principala funcție a acestuia este realizarea conversiei ieșirilor analoage necompensate ale senzorului de presiune într-o valoare numeric de 24 biți care furnizează temperatura senzorului.

Cele două interfețe au comunicări seriale:SPI și I2C.Configurarea protocolui se face prin configurarea pinului PS(Protocol select) down și up.

Pentru configurarea down se fac configurări prininterfața I2C,pinul utilizat fiind SDA.

Pentru configurarea up se fac configurări prininterfața SPI,pinii utilizati fiindSDI, SDO, CSB,figura 2.5.5.Specificațile tehnice se găsesc în anexa tehnică 2.

Figura 2.5.5 – Diagrama bloc senzor de presiune MS5611[11]

Micontrollerul extern furnizează date cu ajutorul protocoalelor SCL și SDA,iar acesta răspunde prinintermediul protocolului SDA,înterfața I2C este bidirecțională deoarece sunt doua linii care semanlizează,iar CSB prezintă bitul care este cel mai putin semnificativ al interfeței I2C,figura 2.5.6.[11]

Figura 2.5.6 – Circuit uzitat de comunicație[11]

2.6 Microcontrollere

Un microntroller este dispozitiv electronic care a fost creat pentru a putea controla un proces sau în sensul general controlul unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior,fără intervenția factorului uman.Primele modele de controller au fost executate cu tehnologii pur analogice,folosindu-se component electronice discrete și/sau componente electromecanice.

Un microcontroller este un microcircuit care încorporează o unitate central,numită CPU,impreună cu o memorie cu resurse cu intrări/ieșiri periferice pe un singur cip care să ii permit interacțiunea cu mediul exterior.

În zilele noastre tehnologia modernă a permis realizarea controller pe baza logicii cablate,cu circuite integrate numerice standard SSI și MSI,dar și cu ajutorul electronici analogice complexe s-a reușit dimensionarea lor ajugând-se la microcontrollerele de uz general cu costuri,dimensiuni,îmbunătățirea fiabilități foarte bune.Procesorul unui microcontroller poate să varieze în funcție de aplicațiile pentru care este folosit,aceste opțiuni variază de la 4,8 sau 16 biți sau la 32 sau 64 biți pentru procesoarele complexe.Memoria microcontrollerelor poate fi de acces aleator(RAM),momerie flash,EPROM sau EEPROM.Microcontrollerele au fost concepute pentru a putea fi utilizate fară componente suplimentare de calcul,ele fiind concepute memorie integrată suficientă și ofera soluții pentru operațiile generala de I/O,astfel încât interfața intră direct în contact cu senzorii și alte componente.

Procesoarele cu microcontrollere la computerele complexe au setari complexe cu instrucțiuni(CISC) sau pe calcul de seturi de instrucțiuni reduse(RISC).Înstrucțiunile CISC au aproximativ 80 linii în timp ce RISC 30.CISC este mai usor de implementat datorită numărului mare de cicluri necesare pentru executarea instrucțiunilor,în timp ce RISC acordă o atenție mai mare software-ului,oferind adesea performanțe mai bune decât procesoarele CISC care pun accentul mai mare pe hardware,datorită setul simplificat de instrucțiuni și a designului simplificat.Astăzi limbajul de programare C/C++ este cel mai des întâlnit în programarea microcontrollerelor.Codul ISC folosit variază de la aplicație la aplicație.Tehnologia microchip MCU,folosește pini de intrare și ieșire pentru implementarea funcțiilor periferice.Funcțiile acestea sunt convertoare analog-digital,emițătorul sincron/asincron de recepție(USART),transmițătorul universal asincron(UART),etc.

Microcontrollerele sunt de mai multe:modelul MCS-51,denumit microcontroller 8051,microcontrollerul AVR,microcontrollerul cu interfață pramabilă PIC și diverse microcontrollere ARM licențiate.

Microcontrollerele au mai multe utilizări în mai multe industrii și aplicații,înclusiv în aplicațiile casnice cât și industrial,automatizări,producție,robotică,etc.[12]

2.7.Sistemul de Poziționare Globală

După cel de al doilea razboi mondial tehnica miltiară a avut un salt consistent acest lucru ducând inevitabil la necesitatea orientării permanente în spațiu.Astfel,avioanele,rachetele sau flotele militare aflate în marș,aerian sau nautic,puteau fi usor îndrumate și supravegheate dacă se putea realiza acest sistem care să permită determinarea acestora în orice moment,figura 2.7.1.[13]

Figura 2.7.1 – Principiul de funționare G.P.S.

Distanțele mari între bazele de comandă și nave au impus conceperea unui sistem global de poziționare,care putea sa facă legatura între diverse locuri de pe glob cu alte poziții prin intermediul sateliților.Pentru determinarea coordonatelor vectorilor militari,realizarea unei rețele de puncte de coordonate cunoscute era necesară.Dacă pentru determinarea coordonatelor unor puncte de detaliu aflate pe suprafața terestră,a fost creeată rețeaua geodezică,pentru rețeaua de puncte aflate în spațiu,puncte care au coordonate cunoscute,a fost creeat Sistemul de Poziționare Globală(G.P.S.).

Actual sunt șase sisteme GPS:NAVSTAR, GLONASS, GALILEO, BEIDOU, IRNSS și QZSS

În vederea determinării coordonatelor în acest nou sistem este nevoie de cel putin trei puncte de coordonate cunoscute.Dacă aceste trei puncte sunt situate pe boltă cerească nu pe suprafața terestră rezolvarea necuscutei este realizabilă.Din cauza distanțelor mari,punctele de pe bolta cerească trebuie sa fie “vizibile”,pentru acest lucru punctele trebuie să emită un semnal care să permită identificarea punctului tot odată cu determinarea poziției sale.Pentru a se ajunge la un receptor terestru,semnalul are nevoie de timp,pentru ca satelitul să se poziționeze pentru citirea corectă a coordonatelor.

În sistemul NAVSTAR – GPS,principala sarcină a sateliților este aceea de a emite un semnal,care poate fi recepționat cu receptoare adecvate.Pentru acest lucru fiecare satelit este prevăzut cu oscilatoare,un microprocesor,un emițător și cu o antenă.Oscilatoarele sateliților generează o frecvență nominala de 10,23 MHz care sta la baza generării celorlalte semnale,figura 2.7.2.[13]

Figura 2.7.2 – Satelit

Un sistem de poziționare globală se imparte în trei categorii:

Segmentul de control

Segmentul spațial

Segmentul utilizator

Segmentul de control are ca atribuții calcularea pozițiilor sateliților,determinare corecțiilor pentru poziția lor,implementarea de tehnici selective și de protecție a sistemuluiNAVSTAR – GPS,menținerea timpul de raspuns,prin monitorizarea stării de funționare a ceasurilor satelitare,transferul de date de navigație înspre ei și controlul integral al sistemului.

Segmentul de control al sistemului NAVSTAR – GPS este format din 5 stații de control,care se pot clasifica după setul de sarcini și a funcționalității lor în:stația de control master(Master Control Station) și stații monitoare/control la sol,figura 2.7.3.

Figura 2.7.3 – Segment de control al NAVSTAR

Segmentul spațial este alcătuit din douazeci și patru de sateliți care sunt plasați pe orbitele pamântului la inalțimede 19100 km.Sateliții sunt distantați la 45 de grade pe orbită,iar în funcție de argumentul latitudiniiei sunt decalați pe cele trei orbite cu 15 grade,figura 2.7.4.

Figura 2.7.4 – “Constelația” sateliților GPS

Segmentul utilizator este alcătuit din totalitatea receptoarelor pentru navigație și al echipamentelor de procesare ale semnalelor GLONASS pentru determinare poziției,vitezei și a timpului,figura 2.7.5.[13]

Figura 2.7.5 – Receptoare GPS

Determinarea poziției prin satelit se face în funcție de momentul în care s-a efectuat transmisia,receptorul calculând diferența dintre momentul de sosire al mesajului și momentul efectuării transmisiei,prin determinarea timpului necesar pentru parcurgerea dintanței dintre receptor și satelit.Cunoscându-se această valoare,a timpul de parcurgere a acestei distanțe,dar și cunoscându-se viteza de propagare a unei unde radio în vid,300000km/h,receptorul poate estima distanța dintre satelit și receptor.

În prima fază se estimează distanța dintre satelit și receptor,această distanță poate plasa receptorul în afara ariei sferei generate de această distanță/rază.Aceasta este estimarea poziției cu un singur satelit, figura 2.7.6.

Figura 2.7.6 – Estimarea poziției cu un satelit

Un al doilea satelit plasează receptorul la o altă distanță,astfel receptorul nu poate fi altundeva decât la intersecția celor două sfere create nou,figura 2.7.7.

Figura 2.7.7 – Estimarea poziției cu doi sateliți

În această situație receptorul estimează o a treia distanță față de un al treilea satelit.Această nouă masurătoare reduce poziția receptorul de doua posibile puncte,aflate în intersecția celor trei sfere nou create.Din cele doua posibile puncte,unu se află pe suprafața Terrei,iar al doilea undeva în spatiu și este ignorat, figura 2.7.8.

Figura 2.7.8 – Estimarea poziției cu trei sateliți

Sistemul G.P.S. utilizează și un al patrulea satelit,pentru a putea reduce poziția la un singur punct posibil și automat pentru corectarea erorilor de calcul/ceas,puține receptoare G.P.S. au ceasuri care se sincronizează cu sateliții.[13]

Cu toate că determinarea poziție se face pe baza unor calcule matermatice,sistemul G.P.S. totuși se bazează pe un semnal de nivel mediu destul de slab,existând pericolul ca acesta sa nu poate fi recepționat din mai multe motive.Unul fiind bruiajul intenționat,dar pot fi bruiaje și din cauza condițiilor atmosferice,se poate dilua goemetria preciziei,etc.

3.Proiectarea și construcția unui quadcopter

3.1 Listă componente folosite pentru construcția qaudcopterul

Șasiu din fibră de carbon

Asamblarea se va face pe un cadru din fibră de carbon,model Realacc Ultra 215mm.Este un model usor,cântarind aproximativ 100 grame.Anvergura aripilor este de 215 mm.Are o grosime de 4 mm,acest ansamblu este ideal pentru quadcopterele din clasa mică,sunt create pentru dispozitivele folosite în competițiile sportive de viteză,figura 3.1.1.

Figura 3.1.1 – Cadru din fibră de carbon

Acumulator Lithiu-Polymer

Qaudcopterul pentru a putea să funcționeze are nevoie de energie.Aceasta furnizată de acumulator.Acumulatorul de tip lithiu-polymer,model Infinity,modelul folosit pentru construcția quacopterului prezentat în lucrarea aceasta este de capacitate 1500 mAh.Acesta este un produs care se potrivește perfect cerințelor și consumului sistemului de zbor,în domeniul X-copterelor se întâlnesc destul de des descărcări de tensiune,cu valori între 20A-40A,el prezentând caracteristică de descărcare foarte bună.Producătorii de acumulatoare au definit această carestiristică ca factor de descărcare și prezintă valori de tensiune cuprinse între 30A-80A.Durata de viață este direct proporțional cu valoarea care asociată.Acumulatorii litiu-polymer sunt disponibil în variante de o celula pană la șase celule,fiecare celulă având o tensiune nominală de 3.7 V.Sistemul quadcopter proiectat în această lucrare foloșeste un acumulator Litiu-polymer cu patru celule,cu tensiunea nominală de 14.8V,având o rată de descărcare de 70C,capacitatea acumulatorului se calculează în miliamperi per oră(mAh),mai simplu acumulatorul asigură 1500 de miliamperi într-o ora(1.5/oră)figura 3.1.2.

Figura 3.1.2.- Acumulator litiu-polymer

Rata de descărcare constantă maximă se calculează astfel:

1500mAh*70C=105.000mAh

Pentru calculul timpului de zbor cu o descărcare constantă de 20A, se calculează astfel:

[(1500mah/1000)/20A]*60=(1.5/20)*60=4.5 min

Circuit de distribuție

PDB-XT60,circuitul pentru distribuția alimentării,acest circuit conceput pentru receptoarele RC,pentru controlori de zbor,servere,acestea sunt proiectate pentru a putea oferi înalte performanțe și fiabilitate,pană la 100 de ampere într-un PCB de 36*50 mm și patru straturi.Distribuția de energie se face de la un acumlator LIPO la maxim 6 ESC-uri,precum și pentru furnizarea ieșirilor DC 5V sincrone și reglate DC 12V pentru alimentarea camerelor,servomotorului,receptorului RC,transmițătoare video,etc, figura 3.1.3.A.Specificațiile tehnice se gasesc în anexa tehnică 3.

Figura 3.1.3 – PDB-XT60 Matek Systems

Bloc comandă,Flight Controller

Blocul de comandă,F3 Flight Controller Acro 6 DOF/Deluxe,poza 3.1.4,este dezvoltat pe baza unui micontroller ARM STMF303.Acest bloc reprezintă controlul asistat sau neasistat a quadcopterului,dar are și rolul de procesare de informații care sunt corelate de sistemul sensorial al quadcopterului.Flight Controller are încorporat trei controllere PID,suportă receptoare SBus, SumH, SumD, Spektrum1024 / 2048, XBus, PPM, PWM,suport complet pentru OneShot ESCs pentru o reglare ușoară PID.

Poza 3.1.4 – F3 Flight Controller

Caracteristici:

CPU STM32F3

Placă de 35x35mm, găuri de montare de 30mm

Acro 6DOFand Deluxe 10DOF (cu Barometru MS5611 și Compass HMC5883)

Accelerometre și giroscoape MPU6050

Barometru MS5611

Compass HMC5883

Soclu MicroUSB

Ieșire JST-SH de 4 x 4 pini (I2C, SWD, 2xuart)

Socket JST-SH de 2 x 8 pini (PPM, PWM, SERIAL RX, GPIO, ADC, 3V, 5V, GND)

Găuri de 8 x 3 pini pentru capace de pin pentru conexiuni ESC / Servo. * 2 x 4-pin-hole-uri pentru porturile 2x serial

2 x 2 pin-holes pentru tensiunea bateriei și buzzer

ESC,regulator de turație

Regulatorul de turație ESC,figura 3.1.5,componentă importantă din configurația unui X-copter,controlează miscările efectuate de X-copter,configurația motoarelor și totodată variația acestora pe bazează pe ESC-uri.În sistemul de zbor al X-copterului descărcările de curent cu valori de 30A care sunt produse de controlul și a variației motorelor sunt destul de frecvente.ESC sunt progrmate cu un suport de protocoale destul de extins.

Protocoalele care sunt întalnite în configurarea ESC:

PWM

OneShot42(41.7-83.3us)

OneShot125(125-250us)

MultiShot(5-25us).

DShot

Figura 3.1.5 – ESC RS30A

Modelul ESC folosit la construcția quadcopterului din lucrare este RS30A v2,care are firmware B1Heli,protocolul implementat este MultiShot,protocolul recomandat și cel mai modern Dshot,dar implementarea lui prezintă riscuri destul de mari.

Motorul fără perii/brushless

Pentru realizarea funcționalității de zbor al quadcopterului sunt necesare motoare.Motoarele sunt piese foarte importante în sistemele de zbor,ele fiind părți active,generează miscările X-copterelor.Motoarele alese pentru acest proiect sunt Racerstar Racing,model BR2205S,sunt necesare patru bucăți,care sunt disponibile în doua versiuni,343 w și 408 w,cu eficiente de 3.1 g per w și 2.6 g per w,figura 3.1.6.

Figura 3.1.6 – Motor brushless BR2205

Aceste tipuri de motoare au o caracteristică principală modul de rotație,sunt disponile două tipuri de rotație unul în sensul acelor de ceasornic și unul în sensul învers acelor de ceasornic.Acestă caracteristică este necesară în domeniul X-copterelor.Pentru efectuarea zborului sunt necesare motoare cu modul de rotație în sensul acelor de ceasornic și doua invers,acest lucru este necesar pentru portanță.O alta caracteristică este sensul filetului,montat la terminația rotorului pentru montarea aripilor,acest sens este opus sensului de rotație a motoarelor,acest lucru asigură strângerea elicei și rămânearea ei strânsă pe timpul zborului.

Aripa rotativă/elice

Ridicarea quadcopterului în aer și asigurarea portanței este asigurat de elice.Elicele au configurații diferite în funcție de producător,în funcție de materialul folosit,în funcție de modul de utilizare al quadcopterului.În domeniul X-copterelor sunt disponibile elice cu dimensiuni între trei și cinci inchi.Se folosesc elice cu doua,trei sau patru aripi,figura 3.1.7.Elicea cu doua aripi este mai eficientă,producând mai multă forță de portantă.Cu cât crestem numărul aripilor se creste portanța dar scade și eficiența.În domeniul X-capterelor se folosesc cel mai des elice cu trei aripi.Acest tip de elice au o forță de rotație mai mare,astfel având un raspuns mai bun pentru deplasarea pe plan vertical.

Figura 3.1.7 – Modele de elice

Camera video

Camera video asigură controlul în câmpul vizual al qaudcopterului asigurându-se așa numitul control de bord.Acest lucru pentru lucrarea în curs se realizează cu modul de cameră RunCam Swift 2,figura 3.1.8.

Figura 3.1.8 – CameraRunCam Swift 2

Caracteristici:

Senzor de imagine: Sony Super HAD II CCD

Rezoluție orizontală: 600 linii

Format: 4:3

Obiectiv: 2.1 mm/165grade

Microfon: integrat

Alimentare: 5V-26V

Transmițător audio/video

Eachine TX526, figura 3.1.9,este transmițătorul audio/video folosit pentru aplicația noastră.Acest dispozitiv are capabilități de selectare a puterii de transmisie,care este selectabile pe 40 de canale captate de “antena ciupercă” RP-SMA male,montată pe quadcopter, figura 3.1.10.

Figura 3.1.9 – Transmițător audio Eachine TX526

Figura 3.1.10 – Mushroom antena

Specificații:

Putere de transmisie selectabilă: 25mW, 200mW, 600mW

Format video: PAL/NTSC

Tensiune alimentare: 7V-24V

Conector antenă: RP-SMA male

Temperatura de operare: -10grC +85grC

Dimensiuni: 28.5mm X 20mm X 8mm

Modul GPS cu compas

Modul GPS este o motodă prin care se ajută piloți în controlul sistemelor de zbor.Cu modul acesta stim permanent poziția quadcopterului,putem configura zboruri prestabilite.Modul Global Pozition System nu se raportează numai la telecomanda quadcopterului ci este o suspensie solidă în controlul echipamentului.Modelul folosit este SP RACING DELUXE HMGPS-M8N,figura 3.1.11.Sistemul GPS poate fi folosit pentru raportare,pentru situațile de urgentță în cazul prăbușirii quadcopterului.

Figura 3.1.11 – Modul GPS HMGPS-M8N

Specificații:

Modul GPS cu busolă electronică încorporată

Tensiune DC 2.8V ~ 6.0V, tipic: 3.3V sau 5.0V

Format recepție GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou, QZSS și SBAS

Recepția sensibilității Trace -167dBm, Captură-148dBm

Caracteristici dinamice Inălțime maximă: 18000m, Viteză maximă: 515m / s, Accelerare maximă: 4G

Precizie de viteză 0,1 m / s (fără ajutor)

Precizie de accelerare : 0,1 m / s (fără ajutor)

Temperatură de lucru –40 ℃ – + 85 ℃

Interfața UART: Port UART: TXDA și RXDA Rata de asistență: 4800bps până la 115200bps, Implicit 9600dps

Receptor radio

Receptorul radio asigură controlul qaudcopterului.Modelul folosit este modelul X4RSB(naked),produs de compania FrSky,figura 3.1.12.Acest model folosește tehnologia ACCST(Automatic Channel Swithing Technolgy),integrat fiind protocolul SBUS,care are capabilități de transmitere de date telemetrice în comunicare full-duplex.

Protocolul SBUS este un protocol serial pentru aplicațiile și controlul la distanță.Acesta a fost dezvoltat de compania FUTABA.Acest protocol este derivate din protocolul RS232,cu nivelurule de tensiuneînversate.Acesta oferă 16 canele a câte 11 biți fiecare,două canale digitale și doua canale denumite "cadru pierdut" și "failsafe".

Figura 3.1.12 – Receptor radio X4RSB

Specificații

Număr canale: 1-16 prin SBUS

Tensiune: 4.0V-10V

Curent: 100mA

Raza de acoperire: 1.5 Km

Telecomanda

Telecomanda este necesară pentru inputul comenzilor pentru controlul quadcopterului și binențeles al sub-sistemlor acestuia.Modelul folosit este Taranis X9D Plus,figura 3.1.13,acesta permite upgradare firmwarelui și al receptorului radio și utilizarea unui transmițător extern modular cu caracteristică de upgradare.Protocolul folosit de Taranis X9D Plus este ACCST,ca și receptorul X4RSB,comunicația fiind realizată prin maniera securizată “salt în canale”.

Figura 3.1.13- Telecomandă Taranis X9D Plus

Specificații

Compatibil cu receptorii din seria: X, D și V8-II

Tensiune alimentare: 6V-15V

Curent de operare: 270mA (cu ambele transmițătoare și iluminarea ecranului activ)

Număr canale: 16 canale (max. 32 canale)

Temperatura de operare: -10grC +60grC

Monitor LCD

Monitorul LCD LCD5802D,figura 3.1.14,produs de către compania EACHINE asigură recepția transmișiei video al sistemului qaudcopter.Monitorul LCD5802D este un produs de tip all-in one,care încorporează două receptoare pentru redundanță,este alimentat prin acumulat Litiu-Polyner și are un sistem DVR cu sistem de stocare card microSD.

Figura 3.1.14 – Monitorul LCD LCD5802D

Specificații

receptor dual 5.8Ghz

acumulator încorporat

afișare:indicator acumulator,indicator canal,indicator putere semnal

diagonala: 17.78cm

ecran: TFT/LCD

rezoluție: 800*480

luminozitate: 600cd/m2

unghi vizibilitate: 140gr orizontal, 120gr vertical

tensiune alimentare: 7V-16V

stocare: card microSD 32GB(max)

3.2 Proiectarea sistemul de zbor qaudcopter

Sistemul qaudcopter este alcătuit dintr-un sistem de alimentare,sistemul de comandă și sistem de execuție,diagrama bloc este prezentată în figura 3.2.1.

3.2.1 – Diagrama bloc a sistemul quadcopter

Sistemul de alimentare este dedicat numai cu alimentare cu tensiune a sistemul de zbor quadcopter,aceasta este șîngura lui funcție.Alimentarea sistemul de face în cazul de față de la un accumulator LitiuPolymer,de patru celule,cu tensiune nomonală de 14,8 volți și capacitate de 1500 de mAh.Distribuția se face prin componenta PDB-XT60,cu doua circuite de stabilizare a tensiune de 5v/2A și 12v, cu tensiune specifică pentru fiecare sub-sistem al qaudcopterului.Esc-urile sau controllerele motoarelor sunt alimentate direct cu tensiune nominală din acumulator,iar sub-sistemele de comunicații și cel audio/video sunt alimentate pe cele doua circutite.

Sistemul de comandă este realizat prin componenta F3 Flight Controller Acro 6 DOF/Deluxe care este dezolvat pe baza unui microcontroller ARM STMF303.Acest sistemasigură controlul quadcopterului cu procesare de date colectate de sistemul senzorial.Controlul se execută prin sub-sisteme cu care se comunică prin conexiunile de pe Flight Controller.

Unul din sub-sisteme este cel senzorial,care este alcautit din senzori giroscop,accelerometru,barometru,presiune,magnetometru și gps,care poate fi încadrat la sistemul de execuție care comunică prinînterfața serial I2C.

Al doilea sub-sistem este cel de comunicații care este alcătuit din receptorul radio X4RSB(naked),recptorul audio/video Eachîne TX526,camera video,telecomandă,ecran LCD,care comunică prin unul din cele trei porturi UART.

Al treilea sub-sistem este cel GPS care comunică la fel tot pe un port UART.

Sistem de execuție este alcătuit dinsistemul de patru motoare fară perii cu cele patru Esc-uri care permite miscarea/zborul qaudcopterului asistat prin camera video sau a zborurilor pre stabilite prin modul GPS instalat pe navă.

3.3 Implementarea practică

Implementare practică se va face pe un cadru din fibră de carbon,model Realacc Ultra 215mm.

Primele componente care sunt montate pe cadru sunt cele patru motoare fară perii care au fost fixate cu 4 șuruburi M3,figura 3.3.1.

Figura 3.3.1 – Montarea motoarelor pe cadru

Urmatoarea componentă montată este circuitul de distribuție a energiei electrice care va fi montată central pe cadru,având orificii pentru suruburi M2,figura 3.3.2.Montarea se va face pe distanțieri care va proteja circuitul de posibile descărcări de sarcine electrice și de vibrații.Înainte de această operațiune se vor cositorii bornele + și – ale circuitului de distribuție și se va lipi totodată conectorul pentru conectarea acumulatorului la sistem,figura 3.3.3.

Figura 3.3.2 – Montarea circuitului de distribuție a energiei

Se montează ESC-urile/regulatoarele de turație pe partea superioară a brațelor cadrului,figura 3.3.4.

Figura 3.3.3 – Pregătirea circuitului de distribuție pentru montare

Figura 3.3.4 – Montarea ESC-urilor pe brațele cadrului

Următorul pas este conectarea ESC-urilor la circuitul de distribuție,figura 3.3.5.

Figura 3.3.5 – Conectarea ESC-urilor la circuitul de distribuție

Se vor conecta regulatoarele de turație la motoare.figura 3.3.6.

Figura 3.3.6 – Realizare conecxiune regulator – motor

După ce am realizat toate conexiunile motor regulator,am continuat cu pregătirea circuitului de distribuție deoarece acesta oferă doua circuite de tensiune de 5V și 12V,acestea sunt necesare pentru conectarea controlerul de zbor și al sistemului video.Pe una dintre perechile de borne libere destinate regulatoarelor de turație,se realizează o conecxiune către portul VBAT al controlerului de zbor și acesta va fi folosit ca sursă de date telemetrice al tensiunii acumulatorului,care se conectează la placa de distribuție prin intermediul unui conector xt60,care de asemenea trebuie montat.

În figura 3.3.7 se pot observa conexiunile complete ale placii circuitului de distribuție dupa cum urmează:

conexiunile de alimentare ale regulatoarelor de turație(în colțurile pătratului)

XT60 (sus)

VBAT (stânga)

circuit de stabilizare 5V (stânga-jos)

circuit de stabilizare 12V (dreapta-jos)

Figura 3.3.7 – Hartă conexiuni electrice

Următoare componentă care este montată este controllerul de zbor.Acestă va fi montat deasupra circuitului de distributie.Montajul se va face cu distanțiere,cu șuruburi M2 și distribuția componentelor va fi facută în format stivă.Alimentarea se va face prin intermediul unui conector cu doi pini în lacașul specific pentru această conexiune numită VBAT,figura 3.3.8.

Controlerul de zbor are în arhitectura lui o șină destinată alimentării și o șină destinată semnalelor,figura 3.3.8 mijloc stânga.Pozițiile de semnal sunt marcate cu semnul – S.Șina de alimentare este marcată cu numere de la unu la opt,pe primele patru sunt conectate cele patru regulatoare de turație.Alimentare controlerului de zbor am realizat-o prin conectarea circuitului de stabilizare de 5V la șinele marcate cu pozitiv și negative.

Lipiturile pentru realizarea conexiunii șinei de alimentare este prezentată în figura 3.3.9 și figura 3.3.10.

Figura 3.3.8 – Flight Controller

Figura 3.3.9 – Lipituri pe șina de alimentare

Figura 3.3.10 – Pini șină alimentare

După fixarea controlerului de zbor pe cadru am început instalarea camerei video,senzorului gps,al transmițătoarelor audio și de temelemetrie.În figura 3.3.11 este prezentat rezultatul brut al acestei operații,cu senzorii nefixați pe cadru.În figura 3.3.12 este prezentat sistemul de zbor qaudcopter cu sistem GPS în formă finală.

Figura 3.3.11 – Asamblarea brută a sub-sistemelor qaudcopterului.

Figur 3.3.12 – Quadcopter,forma finală

În figura 3.3.13 este prezentată diagrama finală a proiectul sistem de zbor de tip quadcopter cu sistem GPS.

Figura 3.3.13 – Diagrama finală a sistemul de zbor quadcopter

3.4 Aplicația INav Configurator

Pentru configurarea sistemului de zbor quadcopter se pot folosi mai multe aplicații cum ar fi CleanFlight,BetaFlight.Pentru lucrarea aceasta se va folosi aplicația INav,care este un simulator de zbor cu un puternic accent pus pe sistemul GPS.Conectica dintre INav și quadcopter se face prin cablu usb-type C.Slotul cu mufă type C se găseste pe placuța Flight Controller.

La prima încercare de conectare aplicația INav nu avea instalate toate driverele necesare pentru conectarea cu quadcopterul.Această șituație a fost remediată cu instalarea programului ImpulseRC_Driver_Fixer,o bibliotecă cu o bază de date mare de drivere.

Când pornim aplicația ecranul principal are opțiunile de selectare de port și de baud rate,figura 3.4.1..Dacă sistemul este la prima configurare și firmwareul nu este actualizat INav-ul va refuza conexiunea,urmatorul pas recomandat fiind actualizarea firmwarelui.Opțiunile pentru acest lucru se afla în meniul ecranului de întâmpinare,optiunea Firmware Flasher,figura 3.4.2.

Figura 3.4.1 – Aplicația INav

Figura 3.4.2- Firmware Flasher

INav-ul recunoaște automat controllerul de zbor și are disponibil un meniu drop-down pentru selecția firmwarelui.Pentru realizare acestei procedurii quadcopterul trebuie sa fie pornit în modul BOOT,prin atasare unui jumper la pinii de boot disponibili pe placuța Flight Controller.

Firmwareul este descărcat de INav din rețeaua de internet,aceasta fiind metoda recomandată,dar aplicația permite și firmware customizate care pot fi folosite în rețeaua locală.

În figura 3.4.2,în stânga-sus,se pot observa opțiunile de conectare,de unde putem selecta portul și rata de transfer.Tot aici se poate observa și opțiunea de Auto-Connect.

Conectarea se face prin portul COM3 și Baud Rate 115200,figura 3.4.3.

Figura 3.4.3 – Meniu conectare

3.4.1 Configurarea sistemului

În meniul Setup sunt opțiunile pentru calibrarea accelerometrului și al magnetometrului.Pe baza datelor primite de la senzori,în acest ecran se pot vedea elementele de instrumentanție electronic și imaginea dinamică a orientării quadcopterului în spațiu,figura 3.4.1.1.

Figura 3.4.1.1 – Meniu Setup

În meniul Ports se gasesc canalele pentru configurarea porturilor care se gasesc pe qaudcopter,figura 3.4.1.2.Sistemul nostru folosește trei porturi pentru implementarea curentă.

Uart1 este utilizat pentru conexiunea quadcopter-laptop

Uart2 este utilizat penru sistemul GPS

Uart3 este utilizat pentru alimentarea receptorului audio și asigurarea căi de comunicație cu Flight Controller-ul.

Figura 3.4.1.2 – Meniul Ports

Următorul meniu care este apelat este meniul Mixer.În acest meniu se selectează configurația cadrului pe care a fost construit quadcopterul,QUAD X.M-ai departe selectam protocolul MULTISHOT,care are opțiunea de dezactivare motoare indiferent de valoarea accelerației,figura 3.4.1.3.În acest meniu configuram modul de rotire rotoarelor de la motoare,figura 3.4.1.4.

Figura 3.4.1.3 – Meniu Mixer

Figura 3.4.1.4 – Meniu Mixer motoare

În meniul Configuration gasim mai multe opțiuni de configurare ale sistemului.Prima opțiune este cea care ne permite să configuram senzorii.Sistemul qaudcopter a fost executat fără greseală astfel Flight Controllerul detectează toți senzori montați.Astfel în opțiunea drop-down al meniului setăm senzori pe care dorim,figura 3.4.1.5.

Figura 3.4.1.5 – Meniu Configuration senzori

Următoare opțiune este în meniul Configurare este ESC/Motor Features activam variatoarele de turație.Aici putem seta tot dintr-un meniu drop-down puterea turație motoarelor,Maximum Throttle,la o valoare implicită de 1750.Putem seta protocolul ESC-urilor,caracteristica aleasa este STANDARD,figura 3.4.1.6.

Figura 3.4.1.6 – Meniu Configuration ESC

Pentru calibrarea regulatoarelor de turație care controlează motoarele vom intra în meniul Motors care opțiuni de testare al motoarelor și monitorizarea acestora cât monitorizarea giroscopului totul în timp real.Calibrarea ESC se efectueaza procedural nu prin configurare

Procedura de calibrare este următoarea:se setează sliderul de la poziția Master la maxim,se conecteaza qaudceopterul la acumulator și dupa semnalele sonore emise de motoare se duce sliderul Master la minim cu tasta End,figura 3.4.1.7.

Figura 3.4.1.7 – Meniu Motors

După calibrarea ESC-urilor următorul meniu apelat este meniul CALIBRATION.În acest meniu se execută calibrarea accelerometrului și a compasului.Procedura de calibrare este asemănatoare cu cea de la ESC-uri,calibrarea nu se face prin configure ci prin o procedură de miscări specifice ale quadcopterului corelate cu configuratorul INAV,figura 3.4.1.8.

Figura 3.4.1.8 – Meniu Calibration

În meniul Modes avem posibilitatea de a active modurile asistate de a pilota și armarea motoarelor prin comandă dedicată.Având în vedere că sistemul quadcopter are modul GPS vom active doar modul ARM.Acest mod are asociat un canal auxiliar pentru armarea motoarelor pentru un plus de siguranță în utilizare,figura 3.4.1.9.

Figura 3.4.1.9 – Meniu Modes

După ce am modurile de pilotare asistată vom configura și telecomanda.Acest lucru se face în meniul Receiver prin aceeași modalitate.Vom face miscări specific din joystick-urile telecomenzii care vor fi corelate configuratorul INAV,figura 3.4.1.10.

Figura 3.4.1.10 – Meniu Receiver

Pentru monitorizare senzorilor care se află instalați pe sistemuldin lucrare prezentă se fac din meniul Sensors,prin intermediul unor grafice în timp real.Singura modificare care se poate face în acest meniu este cea de reîmprospătare(refresh) la rata de actualizare și a scalei de reprezentare.În figura 3.4.1.11 sunt prezentate valorile a trei senzori:giroscop,accelerometru și magnetometru.

Figura 3.4.1.11 – Grafic senzori giroscop,accelerometru și magnetometru

Următorul sub-meniu pe care i-l apelam este Board and Sensor Alignment pentru configurarea controllerului de zbor cu orientarea de 270 de grade,față de orientarea uzuală,astfel modificând sistemul de referință.Prin această modificare a orientării,datele colectate de senzori sunt corelate cu nou sistem de referință.figura 3.4.1.12.

Figura 3.4.1.12 – Meniu ConfigurationBoard and Sensor Alignment

Receptorul radio-comandă X4RSB,care este un receptor de tip serial,utilizează protocolul SBUS va fi configurat în sub-meniu Received Mode,poza 3.4.1.13.

Figura 3.4.1.13 – Meniu Configuration Received Mode

Următorul sub-meniu este Battery Voltage,unde se pot face mai multe configurări privind caracteristicile sursei de alimentare folosite.Sursa pe care o selectam va genera informații de telemetrie privind tensiunea și curentul din acumulator,opțiune ce se activează tot aici.Celula unui accumulator complet încărcat are o tensiune de 4,3V,iar în exploatare îndelungată tensiunea recomandată este de mai mare sau egală cu 3,5V,detalii care se pot vedea în figura 3.4.1.14.

Figura 3.4.1.14 – Meniu Configuration Battery Voltage

Sistemul GPS se activează din sub-meniul GPS.Prima caracteristică activată este telemetria.Protocolul ales este UBLOX,iar asistarea de la sol o vom lasa AUTODETECT,figura 3.4.1.15.

Figura 3.4.1.15- Meniu Configuration GPS

În meniul FailSafe sau meniul masurilor de siguranță sunt disponile trei posibilități.Ele asigură un set de comenzii continuu în cazul pierderii conexiunii cu telecomanda,comenzi definite de utilizator.Prima masura este cea de prăbușire,rar folosită.A doua este cea de aterizare forțată,quadcopterul oprește motoarele la o turație minină și aterizează sau cade controlat.Iar cea de a treia,folosită în configurarea sistemului din această lucrare,este cea RTH(return to home).Această opțiune permite qaudcopterului să se întoarcă de unde a plecat,acest lucru fiind sinonim cu armarea motoarelor.figura 3.4.1.16.

Figura 3.4.1.16 – Meniu FailSafe

Cea mai importantă caracteristică a proiectului din această lucrare este sistemul de poziționare global,GPS.După ce am activat modul GPS în meniul Configuration intram în meniul GPS unde găsim informații în timp real despre coordonatele qaudcopterului – altitudine ,longitudine,viteză,stateliți,erori – toate îmbinate și afisate pe o hartă 3D,figura 3.4.1.17.

Figura 3.4.1.17 – Meniu GPS,harta 3D

Meniul în care putem configura un zbor prestabilit este meniul Mission Control.În acest meniu configurarile de locații se fac tot pe harta 3D.Pentru stabilirea traseul qaudcopterului se dă click și se fixează pe hartă coordonatele unde trebuie să zboare acesta.Se pot salva trasee dacă dorim să zburăm qaudcopterul de mai multe ori același traseu.Se poate configura traseul și cu puncte de coordinate.După ce am alcătuit un traseu,programul calculează distanța,daca traseul este valid.Dacă nu facem un traseu care se încheie la punctul de unde a decolat quadcopterul sau traseul este mai lung decât distanța acoperită de transmițătorul de telemetrie sau pentru cazurile în care din cauza condițiilor atmosferice să pierdem controlul qaudcopterului activam opțiunea întoarcere acasă(RTH) și aterizare,figura 3.4.1.18.

Figura 3.4.1.18 – Meniu Mission Control

4. Rezultate experimentale și concluzii

4.1 Rezultate experimentale

Sistemul quadcopter construit pentru acestă lucrare a reprezentat destul de multe provocări în etapele de executare și configurare sistem.

În etape de executare cea mai mare provocare au fost lipiturile cu cositor executate pe placuța de distribuție a alimentării cu curent,dar cât și pe cea a blocului de comandă a microcontroler SPRacing F3,Flight controller.

În urma unui astfel de operațiuni,din cauza unei erori de manipulare a pistolului de lipit,LetCon,a rezultat arderea placuței SPRacing F3 printr-un scurt circuit.Soluția a fost de înlocuire a componentei cu același produs.

După asamblarea fară fixarea cu toate elementele de prinderea a sub-sistemelor am încercat calibrarea sistemului prin intermediul programului INAV.Pentru calibrare este nevoie de executarea de mișcări specifice,în urma acestora din cauza neatenției,receptorului audio/video având un fir de la conectica electrică nefolosit care ar fi trebuit taiat,firul nefolosit a atins cadrul producându-se un scurt-circuit rezultând arderea receptorului audio.Soluția a fost la fel de înlocuire a acestuia cu alt asamblu asemănător.

4.2 Concluzii finale

Scopul proiectului a fost acela de a proiecta,a executa practic și de a verifica funcționalitatea unui quadcopter cu modul gps,la care se pot programa zboruri pe coordonate prestabilite.Pe parcursul executării proiectului am realizat un sistem de zbor de tip qaudcopter cu capabilitatea de control prin comandă radio,cu posibilitatea de captură și transmisie audio/video.

După asamblare,configurare sistem și primele teste de zbor am ajuns la urmatoarele concluzii:

Asamblarea componentelor sistemului qaudcopter a fost realizat corespunzător

Conectica electrică a fost realizată cu succes,fară să prezinte nici un scurt-circuit

Sistemul de percepție senzorial captează și reflectă informații din mediul înconjurător în timp real conform sistemelor de referință

Sistemle de comunicații,audio/video funcționează la parametrii optimi

Sistemul GPS poziționează corect coordonatele sistemului de zbor,trasmitând informații în timp real

Caracteristica întoarcere acasă/Return to Home funcționează fară grad de toleranță

Sistemul video captează imagini video HD,cu posibilitate de stocare

Sistemul quadcopter a efectuat un zbor de aproximativ zece minute,pe parcursul caruia toate sistemele și sub-sistemele s-au comportat fară greșeală

4.3 Îmbunătățiri

Sistemul de zbor quadcopter poate fi îmbunătățit cu următoarele:

Cameră video FHD

Acumulator de 3000 mAh

Braț robotic mobil pentru prindere obiecte

Modul radio R9M (10Km)

Motoare brushless 2750KV 3-4S Racing

Bibliografie

[1] McGraw-Hill Concise Encyclopedia of Science and Technology (1989) , New York-London-Tokyo

[2] https://www.descopera.ro/stiinta/929547-inginerie-fara-limite-povestiri-din-viitor

[3]  Davies, Alex (5 mai 2015). „World's First Self-Driving Semi-Truck Hits the Road”

[4]Maloof, Mark. „Artificial Întelligence: An Întroduction

[5] Reshaping Business With Artificial Intelligence”. MIT Sloan Management Review

[6]https://www.bbc.com/news/world-south-asia-10713898

[7] Hoffmann, G.M.; Rajnarayan, D.G.; Waslander, S.L.; Dostal, D.; Jang, J.S.; Tomlîn, C.J. (noiembrie 2004). „The Stanford Testbed of Autonomous Rotorcraft for Multi Agent Control (STARMAC)”

[8]https://www.monolithicpower.com/pub/media/document/Brushless_DC_Motor_Fundamentals.pdf

[9] InvenSense – MPU6000 Data Sheet

[10] https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/HMC5883L_3-Axis_Digital_Compass_IC.pdf

[11]https://www.te.com/commerce/DocumentDelivery/DDEController?Action=showdoc&DocId=Data+Sheet%7FMS5611-01BA03%7FB3%7Fpdf%7FEnglish%7FENG_DS_MS5611-01BA03_B3.pdf%7FCAT-BLPS0036

[12]https://internetofthingsagenda.techtarget.com/definition/microcontroller

[13] http://www.scritub.com/stiinta/arhitectura-constructii/SISTEME-DE-POZITIONARE-GLOBALA82922129.php

Anexe/Fișe tehnice

Anexă tehnică1:Specificații tehnice magnetometru HMC5883

Anexă tehnică 2:Specificații tehnice senzor presiune MS5611-01BA

Anexă tehnică 3:Caracteristici PDB-XT60 Matek Systems:

Suportă tensiuni de până la 14.8V

BEC 5V/2A (max. 2.5A)

BEC 12 V/500mA (max 0.8A)

6 perechi borne alimentare ESC

Conector acumulator XT-60

Anexa tehnică 4 :Corespondența bandă/frecvență a canalelor(Mhz)

Anexă tehnica 5: Specificații giroscop

Anexa tehnică 6:Specificații accelerometru